По этой причине исследователи из области сельского хозяйства и лесоводства пытались понять работу этого гормона роста и использовать свои открытия для научных приложений на протяжении веков. Несмотря на то, что химическая структура ауксина была идентифицирована еще в 1930-х годах, до сих пор не полностью решено, как гормон попадает в свои клетки-мишени и проявляет там свое действие.
В поисках ответов на эти вопросы биофизик профессор Райнер Хедрих и другие исследователи растений Вюрцбурга совершили крупный прорыв. Они представляют свои результаты в текущем номере научного журнала Nature Communications.
Микроэлектроды проливают свет на транспортный механизм
С химической точки зрения ауксин — сравнительно простое вещество. Называемая индол-3-уксусной кислотой, или сокращенно ИУК, на техническом языке, это производное триптофана, ароматической аминокислоты. Растения вырабатывают гормон, например, в верхушке побега, а затем направляют его к клеткам-мишеням, включая клетки корня.
«В рамках нашего последнего исследования мы тщательно изучили корневые волосковые клетки, развитие которых на основе роста полярных клеток зависит от импорта ауксина», — описывает Райнер Хедрих исходную ситуацию, сложившуюся в Вюрцбургской команде. Джулиан Диндас, аспирант кафедры Хедрича, использовал микроэлектроды, которые регистрируют электрическое напряжение клеточной мембраны корневого волоска, так называемый мембранный потенциал, для изучения ранних реакций клетки на гормональный импульс.
Помощь из Фрайбурга и Ноттингема
Он обнаружил, что мембранный потенциал деполяризуется в зависимости от концентрации ИУК и продолжительности применения. Это означает, что отрицательно заряженная индолуксусная кислота запустила процесс, в результате которого положительно заряженные ионы попадают внутрь клетки. Этот процесс был более выраженным, чем больше положительных ионов присутствовало снаружи клетки. «Это говорит о том, что отрицательно заряженная молекула гормона индолуксусной кислоты абсорбируется клеткой корневого волоска вместе с избыточным количеством положительных ионов», — говорит Хедрих.
Этот результат измерения автоматически вызвал следующий вопрос: какой транспортер в клеточной мембране отвечает за это?? На этот вопрос быстро ответили после консультации с генетиками по ауксинам профессором Клаусом Пальме из Фрайбурга и профессором Малькольмом Беннетом из Ноттингема: «Из коллекции мутантов модельного растения Arabidopsis с атипичной реакцией на введение ауксина один особый мутант не проявил себя. любая ИУК-опосредованная деполяризация корневых волос ", — вспоминает Хедрич.
Новый сигнальный путь для "старого" гормона
Кроме того, этот мутант также не показал временного повышения уровня клеточного кальция, как это обычно наблюдается после индуцированной ИУК деполяризации. «Это было доказательством того, что реакция корневых волосков на ауксин сложна и, возможно, является результатом сигнальной цепи», — объясняет ученый-растениевод.
Фактически, изучение дополнительных мутантов ауксина показало, что задействованы как особый рецепторный комплекс, так и кальциевый канал. Если в этом триплете, состоящем из переносчика ауксина, рецептора или кальциевого канала, отсутствовал один компонент, клеточного ответа не было. «Мы пришли к выводу, что ИУК в клетке побуждает рецептор открыть кальциевый канал, тем самым давая инструкции клетке регулировать деление и удлинение клеток в соответствии с гормональным сигналом», — объясняет Хедрих.
Сигнал пересекает корень
Путем микроинъекций ИУК непосредственно в корневой волос Джулиан Диндас также продемонстрировал, что обработанные ауксином клетки не просто посылают кальциевый сигнал. Скорее, он приводит в движение самоусиливающуюся кальциевую волну.
Исследование под флуоресцентным микроскопом показало, что эта кальциевая волна достигает кончика корня уже в течение нескольких минут.
Здесь расположена не только ниша стволовых клеток корня, на кончике корня также расположены датчики ауксин-зависимого роста растения на основе гравитации.
Это становится очевидным при взгляде на заброшенные ветром деревья. «Со временем деревья снова укореняются в почве и снова выпрямляют побеги», — говорит Хедрих. Это то, что делает этот вопрос особенно интересным для ученых, потому что «этот центр управления решает судьбу дифференцирующихся клеток и, следовательно, судьбу корневой архитектуры."
Ученые знают, что различные концентрации ауксина в клетках и окружающей их среде играют ключевую роль в этих процессах дифференцировки.
Однако ранее этот аспект больше рассматривался на фоне влияния регуляции генов гормона, по мнению ученых-растениеводов Вюрцбурга. Напротив, физиологическая роль ауксинового сигнального пути в призывной мембране была в значительной степени неизвестна.
«Наши исследования показывают, что локальные сигналы ауксина могут передаваться на большие расстояния с помощью кальциевых волн, чтобы генерировать сигнал ауксина также в клетках-мишенях, расположенных далеко», — говорит Хедрих.
Планируются дальнейшие эксперименты, чтобы определить, как это достигается на молекулярном уровне и как белки «сигнаносомы ауксина», идентифицированные исследователями Вюрцбурга, вмешиваются в этот сценарий.